本發(fā)明涉及電動汽車自動充電技術(shù)及控制方法，具體涉及一種全自動化高精度電動汽車自動充電系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

中國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，促進居民汽車保有量的增長。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù),2005-2014年年均增長高達15.61％。然而汽車數(shù)量的增長帶來了石油能源減少、環(huán)境污染、城市空間擁擠等問題，于是電動汽車得到飛速發(fā)展。2014年全球市場共銷售353522輛電動汽車,同比增長53％。據(jù)工信部統(tǒng)計，2015年1-6月，中國電動汽車累計生產(chǎn)7.85萬輛，同比增長3倍。新能源汽車市場擁有巨大的前景，這一點毋庸置疑。而電動汽車的使用必定離不開充電樁，截至2015年底，國內(nèi)已建成的充換電站3600座，公共充電樁4.9萬個。2015年10月，國家發(fā)改委、能源局、工信部和住建部四個部門聯(lián)合印發(fā)了《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015-2020年)》，文件提出到2020年，國內(nèi)新增集中式充換電站1.2萬座，分散式充電樁480萬個，以滿足全國500萬輛電動車的充電需求。

現(xiàn)有的電動汽車充電裝置包括了各類交流和直流充電樁和充電站，使用這些充電裝置時，需要使用者手動將充電裝置上的充電插頭插入電動汽車的充電插座內(nèi)，然后啟動充電。而在充電完成后，同樣需要使用者手動移除充電插頭并將其放置在充電裝置上。在交流充電裝置的充電插頭上，除了有供電觸頭外，還有保護接地觸頭、控制確認觸頭、充電連接確認觸頭等共計7個觸頭。而在直流充電裝置的充電插頭上，除了供電觸頭外，還有保護接地觸頭等共計9個觸頭。在充電過程中，首先接通保護接地觸頭，最后接通控制確認觸頭與充電連接確認觸頭；在脫開的過程中，首先斷開充電連接確認觸頭和控制確認觸頭，最后斷開保護接地觸頭。尤其是對于租賃或其他專用的電動汽車，在無人值守的還車網(wǎng)點，需要用戶停車后自己動手操作。

根據(jù)以上使用環(huán)境，目前的充電樁主要存在1、由于錯誤操作或設(shè)備破損帶來的安全隱患問題；2、操作較為繁瑣，使用便捷性不夠；3、充電樁系統(tǒng)復(fù)雜，作為公用設(shè)施維護難度大且成本高。因此，如何實現(xiàn)安全、自動化、智能化的充電樁是一個重要的問題。

現(xiàn)在存在的自動充電專利公開方案，在充電系統(tǒng)的便捷性、準確性、安全性、靈活性和自動化程度上都存在一定的不足，且控制方法不夠迅速、精確。

中國專利公開號CN105539190A公開了一種三自由度電動汽車自動充電裝置及其控制方法，該發(fā)明主要涉及到自動充電裝置的機械部分。由于該方案的系統(tǒng)1、只設(shè)計了充受電端的對接控制，且對接方案工作范圍太小，沒有車輛泊入檢測、車身姿態(tài)檢測等保證精確對接的手段和費用支付手段，便捷性很低；2、使用霍爾傳感器進行對接，很容易受周圍磁場干擾且工作可信范圍很小；沒有車身檢測，很難保證準確的對接角度，準確性較低；3、對接角度、精度沒有保障；沒有充電狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)生異常無法處理，安全性很低；4、充電插頭活動范圍僅限車身一側(cè)且行程小，難以適應(yīng)各種車型，靈活性低；5、只涉及了機械裝置如何帶動充電端完成對接，對車輛泊入、車身姿態(tài)檢測、充電狀態(tài)監(jiān)控、異常處理以及相關(guān)費用計算繳納都未涉及，自動化程度較低。該方案的控制方法僅為基于霍爾傳感器的機械部分的驅(qū)動和對接方法，沒有泊車信號檢測方法和車身姿態(tài)檢測方法，方法準確性較低，且充受電端對接方法過于簡單，方法控制效率較低。

中國專利公開號CN106114268A公開了一種電動汽車自動充電連接裝置，將充電接口改造至車輛頂端,使用紅外線傳感器進行對接。由于該方案的系統(tǒng)1、需要用戶自己加裝位于車頂?shù)某涫茈姸藢幽K，并手動進行該模塊與車輛的對接，便捷性較低；2、使用紅外對接，工作范圍較小，對接角度的精確度難以保證，準確度一般；3、對接角度沒有保障；沒有充電狀態(tài)監(jiān)測和異常情況處理，安全性很低；4、固定于車身上側(cè)，不同高度的車輛難以通用；對接過程仍需手動，需要加裝受電裝置，靈活性低；5、只涉及了機械裝置如何帶動充電端完成對接，且受電端與汽車充電接口還需要手動對接，自動化程度很低。該方案的控制方法包含基于紅外線傳感器的機械部分的驅(qū)動方法和對接方法，沒有車身姿態(tài)檢測方法，方法準確性較低，且充受電端對接方法過于簡單，方法控制效率較低。

中國專利公開號CN105515111A公開了一種電動汽車自動充電系統(tǒng)，其所述方案通過托盤將電動汽車與充電樁連接完成充電，用戶將車輛停入托盤并將充電接口與托盤上的充電插頭相連，系統(tǒng)會移動托盤與充電樁進行對接。由于該方案的系統(tǒng)1、需要用戶手動進行充受電端的對接，且沒有費用支付手段，用戶泊入和駛出都要等待托盤調(diào)度，便捷性很低；2、需要用戶手動進行對接，若用戶不熟悉對接方式可能產(chǎn)生連接錯誤，準確度一般；3、帶電端需要手動連接，很可能造成誤操作發(fā)生危險，安全性較低；4、車輛上了托盤便無法自行控制移動，只能等待調(diào)度；駛?cè)牒碗x開都要等待調(diào)度，靈活性很低；5、車體與托盤的充電連接需要人工完成，車輛泊入信號也需要人工發(fā)送，充電完成后的繳費過程也未涉及，自動化程度很低。該方案的控制方法主要涉及待充電車輛與充電樁的調(diào)度問題，且泊入信號和對接采用手動方式，并未解決手動操作的不便和安全問題。

中國專利公開號CN105244971A公開了一種電動汽車自動充電系統(tǒng)，該發(fā)明對車載的充電接口進行了改造，車載受電端改為置于汽車底盤上的受電線圈，并且在受電端增加了用于實現(xiàn)對接的紅外線傳感器。由于該方案的系統(tǒng)1、要使用需要用戶自己加裝位于車底的對接模塊，且充電裝置位于車底易損壞，便捷性較低；2、使用紅外對接，工作范圍較小，對接角度的精確度難以保證，準確度一般；3、充電端在地面，容易進水漏電或破損漏電；沒有充電狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)生異常無法處理，安全性很低；4、固定于車身下側(cè)，需要對充電接口位置進行改造；受車輛?？课恢糜绊懞艽?，靈活性低；5、增加了車輛泊入信號的發(fā)送，使用加裝的車載單元將信號發(fā)送給充電裝置，但充電狀態(tài)監(jiān)控、異常處理以及相關(guān)費用計算繳納仍都未涉及，自動化程度低。該方案的控制方法主要包含基于紅外線傳感器的機械部分的驅(qū)動方法和對接方法，沒有車身姿態(tài)檢測方法，方法準確性較低，且充受電端對接方法過于簡單，方法控制效率較低。

中國專利公開號CN104795868A公開了一種電動汽車自動充電系統(tǒng)，通過CCD傳感器獨立移動式的充電插頭自動插拔裝置實現(xiàn)將電動汽車充電插頭插入或拔出充電插座中，在一定程度上解決了手動充電所存在的隱患，但由于該方案的系統(tǒng)1、沒有相關(guān)費用計算和繳納系統(tǒng)且車輛姿態(tài)檢測與對接精度不高，給實際使用帶來麻煩，便捷性一般；2、車輛姿態(tài)檢測誤差分析不足，導(dǎo)致對接角度不夠準確；對接算法粗糙，識別率較低導(dǎo)致對接準確度低；3、由于姿態(tài)檢測和對接算法的不足，對接精確度低，可能造成未正確接入的危險，安全性一般；4、機械部分活動范圍僅限車身一側(cè)且行程較小，難以適應(yīng)各種車型，靈活性低；5、有比較自動化的車輛泊入信號檢測、車身姿態(tài)檢測和充電狀態(tài)監(jiān)測，但缺少安全快捷的相關(guān)費用計算和繳納系統(tǒng)，自動化程度一般。該方案的控制方法主要包括基于CCD傳感器的充電插頭自動插拔控制方法，該方案中雖然有泊車檢測方法和車身姿態(tài)檢測方法，但其方法沒有閾值設(shè)置和誤差消除，方法準確性較低，易產(chǎn)生誤判，且充受電端對接方法過于簡單，方法控制效率和對接準確度都較低。

中國專利公開號CN104578195A公開了一種新能源電動汽車自動充電系統(tǒng)，通過激光線引導(dǎo)司機停入固定位置進行充電。由于該方案的系統(tǒng)1、需要用戶根據(jù)指引移動車輛才能完成對接，且缺乏精確對接保障，便捷性非常低；2、需要用戶控制車輛移動才能完成對接，且缺乏精確對接保障，精確度很低；3、需要用戶根據(jù)指引移動車輛才能完成對接，如果車輛控制不好很容易接錯產(chǎn)生短路；缺乏精確對接保障和充電異常處理，安全性很低；4、充電插頭固定在地面上，需要用戶自己移動車身完成對準，且需要加裝專用的接口，靈活性很低；5、需要司機控制車身移動才能完成對接和斷開充電，且缺少充電狀態(tài)監(jiān)控、異常處理以及相關(guān)費用計算繳納系統(tǒng)，自動化程度很低。該方案的控制方法主要為機械部分的驅(qū)動方法，沒有車身姿態(tài)檢測方法，且充受電端對接方法依賴人進行操作，方法的準確度和安全性都較低。

中國專利公開號CN105667327A公開了基于自動機械臂的電動汽車自動充電系統(tǒng)，使用位于車底的機械臂與地面的充電接口對接完成自動充電。但由于該方案的系統(tǒng)1、需要在車身底部加裝機械臂和用于相關(guān)環(huán)節(jié)控制的車載模塊，便捷性較低；2、使用機械臂進行對接，機械臂的控制方案粗糙，受車輛?？课恢糜绊懞艽螅瑳]有精確對接保障，精確度較低；3、同樣缺乏精確對接保障，且由于充電端在地面，也會容易浸水漏電，安全性非常低；4、充電插頭固定于車身下側(cè)，需要加裝專用機械臂，且受車輛?？课恢糜绊懞艽?靈活性低；5、泊入信號由車載控制器與后臺通信，且有充電狀態(tài)監(jiān)測，但缺少費用計算和支付方式，自動化程度一般。該方案的控制方法主要為機械臂的控制和驅(qū)動方法，沒有車身姿態(tài)檢測方法，方法準確性較低，且充受電端對接方法缺乏傳感器引導(dǎo)，方法準確度較低。

中國專利公開號CN102570549B公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)及欄桿式供電樁的電動汽車自動充電系統(tǒng)，該專利方案為通過車載WIFI/GSM模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，向充電管理中心發(fā)送充電請求及費用相關(guān)信息，之后由充電管理中心控制充電樁進行供電。但由于該方案的系統(tǒng)1、需要在車頂加裝受電裝置和車載WIFI模塊，使用“車牌號+GSM號碼卡+數(shù)據(jù)庫”的預(yù)付費充值卡方式提高了運行成本和用戶成本，在用戶更換GSM卡號時也增加了用戶付費的不便性，便捷性較低；2、對接僅靠受電桿的升降，沒有角度控制，也沒有自動控制方案和精確度保證，精確度很低；3、缺乏精確對接控制算法和保障，且改造后的充電接口火線零線過近，對接不準確很容易短路，安全性非常低；4、可以通過控制受電桿升降適應(yīng)不同高度，但需要加裝體積較大的受電桿且很難準確對接，靈活性一般；5、有比較完善的費用計算和支付方式，但充受電端對接、充電狀態(tài)監(jiān)測及充電狀態(tài)異常處理沒有涉及，且該方案費用支付方式較為復(fù)雜，需要用戶事先做很多手續(xù)，自動化程度一般。該方案的控制方法主要包含費用支付系統(tǒng)的控制方法，沒有車身姿態(tài)檢測方法，且充受電端對接方法過于簡單，方法準確度和安全性都較低。

中國專利公開號CN103457322B公開了一種電動汽車自動充電站，使用管理服務(wù)中心對車輛進行監(jiān)測，使用激光輔助完成充受電端對接。但由于該方案的系統(tǒng)1、需要改造充電端口形狀且加裝充受電端對接使用的激光接收裝置和車載控制裝置，與國家規(guī)范不統(tǒng)一，便捷性較差；2、使用激光進行對接，工作范圍較小，且沒有對接角度檢測，精確度一般；3、缺乏精確車身姿態(tài)檢測，對接角度難以保證；缺乏有效的異常狀態(tài)處理和安全支付方式，安全性一般；4、活動范圍僅限車身一側(cè)且行程小，難以適應(yīng)各種車型，且需要對接口進行改造；靈活性很低；5、泊入和對接過程需要手動發(fā)送信號，自動化程度中上。該方案的控制方法主要包含車輛泊入檢測方法、和基于激光的機械部分的驅(qū)動方法和對接方法，沒有車身姿態(tài)檢測方法，方法準確性較低，且充受電端對接方法過于簡單，方法控制效率較低。

綜上所述，目前涉及自動充電系統(tǒng)的公開專利及其技術(shù)方案所存在的主要不足包括：1、便捷性不足，一個完整的自動充電系統(tǒng)應(yīng)該是包括從監(jiān)測用戶泊車入位起、充電插頭對接、充電狀態(tài)監(jiān)控、充電完成裝置復(fù)位一直到用戶付費出庫，每一個步驟都智能化的系統(tǒng)，大部分專利都只涉及到充電過程，對充電前后的系統(tǒng)運作則沒有詳細說明；2、對接準確性不足，目前存在的專利公布方案都存在使用傳感器工作范圍不夠、精度低、算法粗糙、對接角度、對接準確度不夠；3、安全性不足，大部分專利方案由于缺少對接精確度保障、缺少充電狀態(tài)檢測及異常處理、缺少便捷安全的支付手段，造成系統(tǒng)使用安全性降低；4、靈活性不足，大部分專利所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)行程都比較小，且只能置于車輛的一側(cè)，車型不同、車身較高或較遠時可能超出行程；5、不夠自動化、系統(tǒng)化，軟硬件層次不分明，或只有軟/硬件中的一部分，大部分專利方案都只涉及到下層機械結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和基本運動方式，而對上層數(shù)據(jù)傳遞、處理及系統(tǒng)運行原理和控制邏輯涉及很少；6、不易于被用戶接受，大部分專利涉及到的對接裝置需要對電動汽車進行改造，不僅改變了受電端的位置，而且由于對接方案的要求需要在車身上增加專用的信號發(fā)生器才能實現(xiàn)，不僅增加了用戶的成本還有可能影響車身的美觀，不易被用戶接受。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電動汽車自動充電系統(tǒng)及其控制方法，從車輛泊車入位開始監(jiān)測，到車輛充電完成后斷開充電連接復(fù)位裝置并生成用戶賬單，包括充電插頭對接和充電過程實時監(jiān)控，軟件系統(tǒng)部分全程監(jiān)控充電過程涉及到的各項數(shù)據(jù)，控制硬件機械部分運行完成下一步動作，硬件部分完成指令后將新的信號量傳回軟件部分參與新指令運算，軟硬結(jié)合，提高整個充電系統(tǒng)的系統(tǒng)性和智能性；使用基于機器視覺和機器學(xué)習算法的充電接口對接方案，不對車體進行改造，不在車體上增加任何用于對接的信號發(fā)生器，保證對接的可行性和準確度，使方案更易被用戶接受；使用三維度長行程的絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)，增加充電接頭的可活動范圍，適應(yīng)多種車型；為自動充電系統(tǒng)配備支付掃碼器，通過手機端支付工具的支付條形碼掃碼功能即可完成相關(guān)費用的支付，使支付更智能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種電動汽車自動充電系統(tǒng)，包括為電動汽車提供供電電壓的充電樁、自動充電控制裝置、充電目標識別與插拔裝置、自動充電機械裝置和支付裝置；所述充電樁與所述充電目標識別與插拔裝置相連用于提供充電電源；所述自動充電控制裝置與所述充電樁相連用于對充電狀態(tài)進行實時監(jiān)測及對充電進行啟?？刂疲凰鲎詣映潆娍刂蒲b置與所述充電目標識別與插拔裝置相連用于監(jiān)聽泊車信號、檢測車身姿態(tài)、調(diào)整充電目標識別與插拔裝置位置及識別汽車充電接口；所述自動充電控制裝置與所述自動充電機械裝置相連用于對自動充電機械裝置進行驅(qū)動，所述自動充電機械裝置與所述充電目標識別與插拔裝置相連用于根據(jù)所述驅(qū)動帶動所述充電目標識別與插拔裝置移動至汽車充電接口處進行充電；所述自動充電控制裝置與所述支付裝置相連用于充電完成后啟動支付裝置等待車主支付。

所述充電目標識別與插拔裝置包括超聲波傳感器組、激光測距傳感器組、視頻圖像傳感器、充電插頭、電磁鐵、第一齒輪傳動機構(gòu)、第二齒輪傳動機構(gòu)、第一伺服電機、底座和第二伺服電機；所述視頻圖像傳感器、超聲波傳感器組、激光測距傳感器組、第一伺服電機放置在所述底座上方；所述第一齒輪傳動機構(gòu)和第二齒輪傳動機構(gòu)固定在所述第一伺服電機的同一側(cè)面且上下設(shè)置，所述第一伺服電機用于驅(qū)動所述第一齒輪傳動機構(gòu)和所述第二齒輪傳動機構(gòu)動作；所述充電插頭固定在所述第一齒輪傳動機構(gòu)前方用于插入汽車的充電接口；所述電磁鐵固定在所述第二齒輪傳動機構(gòu)前方用于打開所述充電接口的保護蓋；所述第二伺服電機放置在所述底座下方用于驅(qū)動所述底座進行角度調(diào)整；所述自動充電控制裝置與所述第一伺服電機相連用于控制所述第一伺服電機驅(qū)動所述第一齒輪傳動機構(gòu)控制所述充電插頭伸出與收回，還用于驅(qū)動所述第二齒輪傳動機構(gòu)控制所述電磁鐵伸出與收回；所述自動充電控制裝置與所述第二伺服電機與相連用于根據(jù)所述激光測距傳感器傳回的汽車泊車姿勢，控制第二伺服電機轉(zhuǎn)動以驅(qū)動所述底座旋轉(zhuǎn)；所述超聲波傳感器組包括兩個超聲波傳感器；所述激光測距傳感器組包括兩組，每組包括兩個激光測距傳感器，所述自動充電控制裝置與所述超聲波傳感器組、激光測距傳感器組和視頻圖像傳感器分別相連；所述充電樁與所述充電插頭相連用于提供充電電源。

所述視頻圖像傳感器設(shè)置有照明LED保證圖像采集過程中受到環(huán)境光影響最小。

所述自動充電機械裝置包括橫向絲桿雙導(dǎo)軌機構(gòu)、縱向絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)和水平絲桿機構(gòu)；所述橫向絲桿雙導(dǎo)軌機構(gòu)包括橫向絲桿雙導(dǎo)軌底座和第三伺服電機；所述縱向絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)包括縱向絲桿導(dǎo)軌和第四伺服電機；所述水平絲桿機構(gòu)包括水平絲桿和第五伺服電機；所述縱向絲桿導(dǎo)軌和第四伺服電機固定在所述橫向絲桿雙導(dǎo)軌底座的滑塊上，所述第三伺服電機用于驅(qū)動所述縱向絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)的水平橫向移動；所述水平絲桿和第五伺服電機固定在所述縱向絲桿導(dǎo)軌的滑塊上，所述第四伺服用于驅(qū)動所述水平絲桿機構(gòu)垂直縱向移動；所述充電目標識別與插拔裝置固定在所述水平絲桿的滑塊上，所述第五伺服電機用于驅(qū)動所述充電目標識別與插拔裝置水平縱向移動；所述自動充電控制裝置與所述第三伺服電機、第四伺服電機和第五伺服電機分別相連。

所述充電樁包括樁體，以及樁體內(nèi)的電氣模塊、計量模塊、樁體狀態(tài)檢測模塊；所述電氣模塊包括與交流電網(wǎng)連接的充電插座；所述電氣模塊與計量模塊相連用于監(jiān)測充電狀態(tài)和充電時長；所述樁體狀態(tài)檢測模塊與電氣模塊、計量模塊分別相連用于檢測電氣模塊和計量模塊的工作狀態(tài)；所述充電樁還包括用于在斷電情況下仍然能夠執(zhí)行充電任務(wù)的UPS電源系統(tǒng)。所述電氣模塊與交流電網(wǎng)相連接，根據(jù)需要提供直流或交流工作電壓，其中交流充電的工作電壓根據(jù)需要可選擇使用380V或220V的交流電，額定電流為32A，頻率50Hz，直流充電的工作電壓為380V，符合國內(nèi)充電樁的相關(guān)規(guī)范要求。

所述自動充電控制裝置包括中央處理單元、單片機模塊、伺服電機驅(qū)動模塊，所述中央處理單元與單片機模塊相連；所述單片機模塊與伺服電機驅(qū)動模塊相連；所述伺服電機驅(qū)動模塊與所述第一伺服電機、第二伺服電機、第三伺服電機、第四伺服電機和第五伺服電機分別相連；所述中央處理單元包括汽車泊入檢測模塊、車身姿態(tài)檢測檢測模塊、充電插頭自動化對接模塊、充電狀態(tài)及時間檢測模塊、智能付費模塊和樁體工作狀態(tài)監(jiān)測模塊；

所述汽車泊入檢測模塊，用于實時監(jiān)聽所述超聲波傳感器組傳回的泊車信號，當超聲波傳感器組中的兩個超聲波傳感器都檢測到遮擋物距離在第一設(shè)定閾值距離范圍內(nèi)且持續(xù)時間大于第二設(shè)定閾值時間時，判斷有汽車泊入，向車身姿態(tài)檢測檢測模塊發(fā)送泊車信號；

所述車身姿態(tài)檢測檢測模塊，用于接收所述汽車泊入檢測模塊發(fā)送的泊車信號，控制所述激光測距傳感器組開啟，實時監(jiān)聽所述激光測距傳感器組傳回的距離信號；根據(jù)距離信號計算出車身姿態(tài)并發(fā)送車身姿態(tài)信號給所述單片機模塊以驅(qū)動所述充電目標識別與插拔裝置進行角度調(diào)整；然后向所述充電插頭自動化對接模塊發(fā)送對接信號；

所述充電插頭自動化對接模塊，用于接收所述車身姿態(tài)檢測檢測模塊發(fā)送的對接信號，控制所述視頻圖像傳感器開啟，實時接收所述視頻圖像傳感器傳回的圖像幀，進行圖像幀的處理和檢測，將檢測出的與先驗知識相符合的矩形或圓輪廓判斷為充電接口位置；計算出充電插頭當前位置與汽車充電接口之間的距離偏差，通過單片機模塊控制伺服電機驅(qū)動模塊動作完成充電插頭與汽車充電接口的對接；

所述充電狀態(tài)及時間檢測模塊，用于充電開始后進行充電時間統(tǒng)計，并實時監(jiān)測電氣模塊的輸出電壓和電流，一旦電壓或電流出現(xiàn)異常，進入異常狀態(tài)處理，控制拔出充電插頭并提示異常警告；充電完成后將充電時間發(fā)送給智能付費模塊；

所述智能付費模塊，用于根據(jù)充電時間計算費用金額并生成訂單，調(diào)用具有安全保障的交易支付接口并構(gòu)造HTTP請求向支付工具系統(tǒng)發(fā)起支付請求，同時控制所述支付裝置開啟，等待車主支付；

所述樁體工作狀態(tài)監(jiān)測模塊，用于實時檢測所述充電樁中各模塊的工作狀態(tài)，當某個模塊工作狀態(tài)異常進行維修警告并告知異常位置，通知相關(guān)人員及時進行該模塊維修。

所述支付裝置包括與所述智能付費模塊相連接的激光掃描儀。

一種電動汽車自動充電控制方法，包括：

汽車泊入時，汽車泊入檢測模塊實時監(jiān)聽超聲波傳感器組傳回的泊車信號，當超聲波傳感器組中的兩個超聲波傳感器都檢測到遮擋物距離在第一設(shè)定閾值距離范圍內(nèi)且持續(xù)時間大于第二設(shè)定閾值時間時，判斷有汽車泊入，向車身姿態(tài)檢測檢測模塊發(fā)送泊車信號；

車身姿態(tài)檢測檢測模塊接收汽車泊入檢測模塊發(fā)送的泊車信號，控制激光測距傳感器組開啟，實時監(jiān)聽激光測距傳感器組傳回的距離信號；根據(jù)距離信號計算出車身姿態(tài)并發(fā)送車身姿態(tài)信號給單片機模塊，單片機模塊控制伺服電機驅(qū)動模塊控制第二伺服電機驅(qū)動充電目標識別與插拔裝置進行角度調(diào)整，使視頻圖像傳感器和充電插頭面向汽車側(cè)面的參考面與汽車側(cè)面保持平行；然后向所述充電插頭自動化對接模塊發(fā)送對接信號；

充電插頭自動化對接模塊接收車身姿態(tài)檢測檢測模塊發(fā)送的對接信號，控制視頻圖像傳感器開啟，實時接收視頻圖像傳感器傳回的圖像幀，進行圖像幀的處理和檢測，將檢測出的與先驗知識相符合的矩形或圓輪廓判斷為充電接口位置，計算出充電插頭當前位置與汽車充電接口之間的距離偏差，通過單片機模塊控制伺服電機驅(qū)動模塊動作完成充電插頭與汽車充電接口的對接；

充電開始后，充電狀態(tài)及時間檢測模塊啟動充電時間統(tǒng)計，并實時監(jiān)測電氣模塊的輸出電壓和電流，一旦電壓或電流出現(xiàn)異常，進入異常狀態(tài)處理，控制拔出充電插頭并提示異常警告；充電完成后將充電時間發(fā)送給智能付費模塊；

智能付費模塊根據(jù)充電時間計算費用金額并生成訂單，調(diào)用具有安全保障的交易支付接口并構(gòu)造HTTP請求向支付工具系統(tǒng)發(fā)起支付請求，同時控制所述支付裝置開啟，等待車主支付。

所述通過單片機模塊控制伺服電機驅(qū)動模塊動作，包括：

伺服電機驅(qū)動模塊驅(qū)動第三伺服電機控制縱向絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)在橫向絲桿雙導(dǎo)軌底座上移動以調(diào)節(jié)車身遠近方向上的偏差；伺服電機驅(qū)動模塊驅(qū)動第四伺服電機控制水平絲桿機構(gòu)在縱向絲桿導(dǎo)軌上移動以調(diào)節(jié)車身高度方向上的偏差；伺服電機驅(qū)動模塊驅(qū)動第五伺服電機控制充電目標識別與插拔裝置在水平絲桿上移動以調(diào)節(jié)在車身長度方向上的偏差；偏差小于第三設(shè)定閾值時，第一伺服電機驅(qū)動電磁鐵伸出，接觸充電接口的保護蓋后上電加磁，吸住保護蓋，之后由第一伺服電機驅(qū)動第二齒輪傳動機構(gòu)桿收回，完成充電接口保護蓋的打開，再由第一伺服電機驅(qū)動充電插頭伸出，完成與充電接口的對接，啟動充電；

還包括：充電完成后，第一伺服電機驅(qū)動第一齒輪傳動機構(gòu)桿收回，將充電插頭從充電接口中拔出；再由第一伺服電機驅(qū)動電磁鐵伸出，將充電接口的保護蓋插入后斷電去磁，之后由第一伺服電機驅(qū)動第二齒輪傳動機構(gòu)桿收回。

所述根據(jù)距離信號計算出車身姿態(tài)為根據(jù)距離信號計算出電目標識別與插拔裝置的旋轉(zhuǎn)角，包括：

接收兩組激光測距傳感器組傳回的距離信號，在收到的四個距離信號中將每一個信號與其他三個做對比，通過設(shè)定誤差閾值對誤差數(shù)據(jù)進行排除，排除與其他數(shù)據(jù)差值大于設(shè)定誤差閾值的錯誤數(shù)據(jù)，若沒有誤差數(shù)據(jù)則選用每組距離數(shù)據(jù)的均值作為該組距離，根據(jù)兩組激光測距傳感器組測量得到的距離差ΔD與激光測距傳感器組中兩個傳感器間中心的距離L可以得到旋轉(zhuǎn)角β：

當沒有錯誤數(shù)據(jù)時：

其中，D₁和D₂表示一激光測距傳感器組的兩激光測距傳感器傳回的距離信號；D₃和D₄表示另一激光測距傳感器組的兩激光測距傳感器傳回的距離信號。

所述充電接口位置識別的方法包括：

對接收到的圖像幀中的每個點進行灰度化換算，得到灰度化的車身側(cè)面圖像；

使用雙邊濾波法對灰度化的車身側(cè)面圖像進行濾波；

對濾波后的車身側(cè)面圖進行直方圖均衡化；

采用Canny邊緣檢測算法對均衡后的車身側(cè)面圖像進行特征提取，提取出車身側(cè)面輪廓圖；

利用Hough變換與最小二乘法結(jié)合對車身側(cè)面輪廓圖進行矩形或圓檢測，將獲得的矩形或圓輪廓判斷為充電接口位置。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：

1、采用軟硬件相結(jié)合，車輛泊入檢測、車輛姿態(tài)、車身側(cè)面信息、充電接口連接狀態(tài)、充電狀態(tài)和充電時長以及用戶支付信息等多方面信息實時交付中央處理單元進行數(shù)據(jù)處理；中央處理單元在對傳入信息進行實時處理之后對機械裝置進行反饋驅(qū)動，驅(qū)動機械裝置或傳感器進入下一步操作運行，完成硬件傳信息給軟件、軟件處理信息后傳信號驅(qū)動硬件的循環(huán)過程，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化運行；

2、使用了多種傳感器協(xié)調(diào)工作，沒有車輛泊入時只需要啟動超聲波傳感器組監(jiān)測車輛泊入信號，車輛泊入后，才開啟激光測距傳感器組檢測車輛姿態(tài)，調(diào)整視頻傳感器角度，調(diào)整完成后開啟視頻圖像傳感器檢測充電器接口信息，從而完成對接，最大程度的節(jié)省待機電能消耗；

3、采用三維度長行程的絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)，多個伺服電機協(xié)同驅(qū)動，完成多維度、全方位的充電對接；底部的絲桿雙導(dǎo)軌底座貫穿整個車身，且充電目標識別與插拔裝置可以180度旋轉(zhuǎn)，當充電插口在車身左側(cè)時，這個平臺可以移動至左側(cè)進行充電，當充電插口在車身右側(cè)時，這個平臺可以移動至右側(cè)進行充電，具有更高的靈活性；

4、采用更為便捷的手機端支付工具掃碼支付手段，由中央處理單元根據(jù)充電時間智能生成賬單，用戶只需打開手機支付工具的條形碼在掃碼器前掃一掃即可完成支付，快捷安全；

5、本發(fā)明的充電樁體帶有備用電源系統(tǒng)，能夠保證在市電中斷的時候繼續(xù)充電工作，且樁體內(nèi)的狀態(tài)檢測模塊實時檢測樁體內(nèi)各模塊的工作狀態(tài)，當某個模塊工作狀態(tài)異常及時進行維修警告并告知異常位置，大大降低了維修難度。

6、使用雙超聲波傳感器進行自動化車輛泊入檢測，有效減少由抖動或雜物遮擋引起的誤判，使得檢測準確性程度更高。

7、使用由兩個激光測距傳感器組成的傳感器組進行全方位的自動化車身姿態(tài)檢測，計算車身傾角時增加誤差數(shù)據(jù)過濾，使車身姿態(tài)計算更加準確，對接角度和精確度更高。

8、使用識別率更高、更精確的充電接口定位方案和圖像處理過程，使用灰度化、濾波去噪及特征增強有效去除多余數(shù)據(jù)保留識別特征，通過基于Hough變換的檢測方法識別充電接口輪廓，結(jié)合Hough與最小二乘法，提高處理效率和系統(tǒng)的實時響應(yīng)性。

9、使用基于PID控制的伺服電機驅(qū)動對接方法，根據(jù)目標位置與當前位置的差值作為算法輸入計算驅(qū)動輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)在目標中心與當前中心差值大時，電機快速轉(zhuǎn)動驅(qū)動平臺迅速移動、在目標中心與當前中心差值小時，電機慢速轉(zhuǎn)動驅(qū)動平臺準確移動，完成迅速而精確的對接，對接方法迅速、精確。

以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明；但本發(fā)明的一種電動汽車自動充電系統(tǒng)及其控制方法不局限于實施例。

附圖說明

圖1為電動汽車自動充電系統(tǒng)的整體框架圖；

圖2為充電接口定位圖像處理過程各階段示意圖；其中圖2a是灰度化結(jié)果，圖2b是去噪濾波結(jié)果，圖2c是特征增強結(jié)果，圖2d是輪廓提取結(jié)果，圖2e是hough矩形檢測去除不符合先驗知識部分后的結(jié)果；

圖3為電動汽車自動充電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖4為充電目標識別與插拔裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖5為電動汽車自動充電系統(tǒng)的前視圖；

圖6為電動汽車自動充電系統(tǒng)的左視圖；

圖7是充電系統(tǒng)使用示意圖一；

圖8是充電系統(tǒng)使用示意圖二。

具體實施方式

如圖1及圖3至8所示，一種電動汽車自動充電系統(tǒng)，包括為電動汽車6提供供電電壓的充電樁1、自動充電控制裝置4、充電目標識別與插拔裝置2、自動充電機械裝置3和支付裝置5；所述充電樁1與所述充電目標識別與插拔裝置2相連用于提供充電電源；所述自動充電控制裝置4與所述充電樁1相連用于對充電狀態(tài)進行實時監(jiān)測及對充電進行啟停控制；所述自動充電控制裝置4與所述充電目標識別與插拔裝置2相連用于監(jiān)聽泊車信號、檢測車身姿態(tài)、調(diào)整充電目標識別與插拔裝置2位置及識別汽車充電接口；所述自動充電控制裝置4與所述自動充電機械裝置3相連用于對自動充電機械裝置3進行驅(qū)動，所述自動充電機械裝置3與所述充電目標識別與插拔裝置2相連用于根據(jù)所述驅(qū)動帶動所述充電目標識別與插拔裝置2移動至汽車充電接口處進行充電；所述自動充電控制裝置4與所述支付裝置5相連用于充電完成后啟動支付裝置5等待車主支付。

所述充電目標識別與插拔裝置2包括超聲波傳感器組20、激光測距傳感器組21、視頻圖像傳感器22、充電插頭23、電磁鐵24、第一齒輪傳動機構(gòu)25、第二齒輪傳動機構(gòu)26、第一伺服電機27、底座28和第二伺服電機29；所述視頻圖像傳感器22、超聲波傳感器組20、激光測距傳感器組21、第一伺服電機27放置在所述底座28上方；所述第一齒輪傳動機構(gòu)25和第二齒輪傳動機構(gòu)26固定在所述第一伺服電機27的同一側(cè)面且上下設(shè)置，所述第一伺服電機27用于驅(qū)動所述第一齒輪傳動機構(gòu)25和所述第二齒輪傳動機構(gòu)26動作；所述充電插頭23固定在所述第一齒輪傳動機構(gòu)25前方用于插入汽車的充電接口；所述電磁鐵24固定在所述第二齒輪傳動機構(gòu)26前方用于打開所述充電接口的保護蓋；所述第二伺服電機29放置在所述底座28下方用于驅(qū)動所述底座28進行角度調(diào)整；所述自動充電控制裝置4與所述第一伺服電機27相連用于控制所述第一伺服電機27驅(qū)動所述第一齒輪傳動機構(gòu)25控制所述充電插頭23伸出與收回，還用于驅(qū)動所述第二齒輪傳動機構(gòu)26控制所述電磁鐵24伸出與收回；所述自動充電控制裝置4與所述第二伺服電機29與相連用于根據(jù)所述激光測距傳感器傳回的汽車泊車姿勢，控制第二伺服電機29轉(zhuǎn)動以驅(qū)動所述底座28旋轉(zhuǎn)；所述超聲波傳感器組20包括兩個超聲波傳感器；所述激光測距傳感器組21包括兩組，每組包括兩個激光測距傳感器，所述自動充電控制裝置4與所述超聲波傳感器組20、激光測距傳感器組21和視頻圖像傳感器22分別相連；所述充電樁1與所述充電插頭23相連用于提供充電電源。

所述視頻圖像傳感器22設(shè)置有照明LED保證圖像采集過程中受到環(huán)境光影響最小。

所述自動充電機械裝置3包括橫向絲桿雙導(dǎo)軌機構(gòu)、縱向絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)和水平絲桿機構(gòu)；所述橫向絲桿雙導(dǎo)軌機構(gòu)包括橫向絲桿雙導(dǎo)軌底座31和第三伺服電機32；所述縱向絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)包括縱向絲桿導(dǎo)軌33和第四伺服電機34；所述水平絲桿機構(gòu)包括水平絲桿35和第五伺服電機36；所述縱向絲桿導(dǎo)軌33和第四伺服電機34固定在所述橫向絲桿雙導(dǎo)軌底座31的滑塊上，所述第三伺服電機32用于驅(qū)動所述縱向絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)的水平橫向移動；所述水平絲桿35和第五伺服電機36固定在所述縱向絲桿導(dǎo)軌33的滑塊上，所述第四伺服用于驅(qū)動所述水平絲桿機構(gòu)垂直縱向移動；所述充電目標識別與插拔裝置2固定在所述水平絲桿35的滑塊上，所述第五伺服電機36用于驅(qū)動所述充電目標識別與插拔裝置2水平縱向移動，最終實現(xiàn)圖像傳感器和充電插頭23的三維全方位運動，完成充電插頭23和充電接口的精確對接。所述自動充電控制裝置4與所述第三伺服電機32、第四伺服電機34和第五伺服電機36分別相連用于控制第三伺服電機32、第四伺服電機34和第五伺服電機36執(zhí)行指定的動作。

所述充電樁1包括樁體，以及樁體內(nèi)的電氣模塊、計量模塊、電源轉(zhuǎn)接端子排、安全防護裝置和樁體狀態(tài)檢測模塊；所述電氣模塊包括與交流電網(wǎng)連接的充電插座；所述電氣模塊與電源轉(zhuǎn)接端子排和安全防護裝置相連；所述電氣模塊與計量模塊相連用于監(jiān)測充電狀態(tài)和充電時長；所述樁體狀態(tài)檢測模塊與電氣模塊、計量模塊分別相連用于檢測電氣模塊和計量模塊的工作狀態(tài)；所述充電樁1還包括用于在斷電情況下仍然能夠執(zhí)行充電任務(wù)的UPS電源系統(tǒng)。所述電氣模塊與交流電網(wǎng)相連接，根據(jù)需要提供直流或交流工作電壓，其中交流充電的工作電壓根據(jù)需要可選擇使用380V或220V的交流電，額定電流為32A，頻率50Hz，直流充電的工作電壓為380V，符合國內(nèi)充電樁1的相關(guān)規(guī)范要求。本實施例中，電氣模塊與交流電網(wǎng)相連接，充電樁1的設(shè)計符合國家相關(guān)標準規(guī)定，可提供220V和380V的交流電進行慢速充電，也可提供380V的直流電進行快速充電。根據(jù)充電樁1的充電方式，充電插頭23分別采用符合國家標準的七個觸頭的交流充電插頭23或九個觸頭的直流充電插頭23。充電樁1的信號線與電力線和充電目標識別與插拔裝置2上的充電插頭23相連接，使充電樁1通過充電插頭23與電動汽車6的充電接口相連通，執(zhí)行充電作業(yè)。

所述自動充電控制裝置4包括中央處理單元41、單片機模塊42、伺服電機驅(qū)動模塊43，所述中央處理單元41與單片機模塊42相連；所述單片機模塊42與伺服電機驅(qū)動模塊43相連；所述伺服電機驅(qū)動模塊43與所述第一伺服電機27、第二伺服電機29、第三伺服電機32、第四伺服電機34和第五伺服電機36分別相連；所述中央處理單元41包括汽車泊入檢測模塊411、車身姿態(tài)檢測檢測模塊412、充電插頭23自動化對接模塊413、充電狀態(tài)及時間檢測模塊414、智能付費模塊415和樁體工作狀態(tài)監(jiān)測模塊416；

所述汽車泊入檢測模塊411，用于實時監(jiān)聽所述超聲波傳感器組20傳回的泊車信號，當超聲波傳感器組20中的兩個超聲波傳感器都檢測到遮擋物距離在第一設(shè)定閾值距離范圍內(nèi)且持續(xù)時間大于第二設(shè)定閾值時間時，判斷有汽車泊入，向車身姿態(tài)檢測檢測模塊412發(fā)送泊車信號；

所述車身姿態(tài)檢測檢測模塊412，用于接收所述汽車泊入檢測模塊411發(fā)送的泊車信號，控制所述激光測距傳感器組21開啟，實時監(jiān)聽所述激光測距傳感器組21傳回的距離信號；根據(jù)距離信號計算出車身姿態(tài)并發(fā)送車身姿態(tài)信號給所述單片機模塊42以驅(qū)動所述充電目標識別與插拔裝置2進行角度調(diào)整；然后向所述充電插頭23自動化對接模塊413發(fā)送對接信號；

所述充電插頭23自動化對接模塊413，用于接收所述車身姿態(tài)檢測檢測模塊412發(fā)送的對接信號，控制所述視頻圖像傳感器22開啟，實時接收所述視頻圖像傳感器22傳回的圖像幀，進行圖像幀的處理和檢測，將檢測出的與先驗知識相符合的矩形或圓輪廓判斷為充電接口位置；計算出充電插頭23當前位置與汽車充電接口之間的距離偏差，通過單片機模塊42控制伺服電機驅(qū)動模塊43動作完成充電插頭23與汽車充電接口的對接；

所述充電狀態(tài)及時間檢測模塊414，用于充電開始后進行充電時間統(tǒng)計，并實時監(jiān)測電氣模塊的輸出電壓和電流，一旦電壓或電流出現(xiàn)異常，進入異常狀態(tài)處理，控制拔出充電插頭23并提示異常警告；充電完成后將充電時間發(fā)送給智能付費模塊415；

所述智能付費模塊415，用于根據(jù)充電時間計算費用金額并生成訂單，調(diào)用具有安全保障的交易支付接口并構(gòu)造HTTP請求向支付工具系統(tǒng)發(fā)起支付請求，同時控制所述支付裝置5開啟，等待車主支付；

所述樁體工作狀態(tài)監(jiān)測模塊416，用于實時檢測所述充電樁1中各模塊的工作狀態(tài)，當某個模塊工作狀態(tài)異常進行維修警告并告知異常位置，通知相關(guān)人員及時進行該模塊維修。所述支付裝置5包括與所述智能付費模塊415相連接的激光掃描儀。

一種電動汽車自動充電控制方法，包括：

汽車泊入時，汽車泊入檢測模塊411實時監(jiān)聽超聲波傳感器組20傳回的泊車信號，當超聲波傳感器組20中的兩個超聲波傳感器都檢測到遮擋物距離在第一設(shè)定閾值距離范圍內(nèi)且持續(xù)時間大于第二設(shè)定閾值時間時，判斷有汽車泊入，向車身姿態(tài)檢測檢測模塊412發(fā)送泊車信號；

車身姿態(tài)檢測檢測模塊412接收汽車泊入檢測模塊411發(fā)送的泊車信號，控制激光測距傳感器組21開啟，實時監(jiān)聽激光測距傳感器組21傳回的距離信號；根據(jù)距離信號計算出車身姿態(tài)并發(fā)送車身姿態(tài)信號給單片機模塊42，單片機模塊42控制伺服電機驅(qū)動模塊43控制第二伺服電機29驅(qū)動充電目標識別與插拔裝置2進行角度調(diào)整，使視頻圖像傳感器22和充電插頭23面向汽車側(cè)面的參考面與汽車側(cè)面保持平行；然后向所述充電插頭23自動化對接模塊413發(fā)送對接信號；

充電插頭23自動化對接模塊413接收車身姿態(tài)檢測檢測模塊412發(fā)送的對接信號，控制視頻圖像傳感器22開啟，實時接收視頻圖像傳感器22傳回的圖像幀，進行圖像幀的處理和檢測，將檢測出的與先驗知識相符合的矩形或圓輪廓判斷為充電接口位置，計算出充電插頭23當前位置與汽車充電接口之間的距離偏差，通過單片機模塊42控制伺服電機驅(qū)動模塊43動作完成充電插頭23與汽車充電接口的對接；

充電開始后，充電狀態(tài)及時間檢測模塊414啟動充電時間統(tǒng)計，并實時監(jiān)測電氣模塊的輸出電壓和電流，一旦電壓或電流出現(xiàn)異常，進入異常狀態(tài)處理，控制拔出充電插頭23并提示異常警告；充電完成后將充電時間發(fā)送給智能付費模塊415；

智能付費模塊415根據(jù)充電時間計算費用金額并生成訂單，調(diào)用具有安全保障的交易支付接口并構(gòu)造HTTP請求向支付工具系統(tǒng)發(fā)起支付請求，同時控制所述支付裝置5開啟，等待車主支付。

所述通過單片機模塊42控制伺服電機驅(qū)動模塊43動作，包括：

伺服電機驅(qū)動模塊43驅(qū)動第三伺服電機32控制縱向絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)在橫向絲桿雙導(dǎo)軌底座31上移動以調(diào)節(jié)車身遠近方向上的偏差；伺服電機驅(qū)動模塊43驅(qū)動第四伺服電機34控制水平絲桿機構(gòu)在縱向絲桿導(dǎo)軌33上移動以調(diào)節(jié)車身高度方向上的偏差；伺服電機驅(qū)動模塊43驅(qū)動第五伺服電機36控制充電目標識別與插拔裝置2在水平絲桿35上移動以調(diào)節(jié)在車身長度方向上的偏差；偏差小于第三設(shè)定閾值時，第一伺服電機27驅(qū)動電磁鐵24伸出，接觸充電接口的保護蓋后上電加磁，吸住保護蓋，之后由第一伺服電機27驅(qū)動第二齒輪傳動機構(gòu)26桿收回，完成充電接口保護蓋的打開，再由第一伺服電機27驅(qū)動充電插頭23伸出，完成與充電接口的對接，啟動充電；

充電完成后，第一伺服電機27驅(qū)動第一齒輪傳動機構(gòu)25桿收回，將充電插頭23從充電接口中拔出；再由第一伺服電機27驅(qū)動電磁鐵24伸出，將充電接口的保護蓋插入后斷電去磁，之后由第一伺服電機27驅(qū)動第二齒輪傳動機構(gòu)26桿收回。

進一步的，在充電過程中，自動充電控制裝置4對充電狀態(tài)進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)充電電壓或電流等異常，則立即切斷與充電樁1的連接，緊急關(guān)閉充電。而在正常充電結(jié)束后，則首先斷開與充電樁1的連接，然后控制充電插頭23收縮使充電插頭23脫離充電插座，并控制橫向絲桿雙導(dǎo)軌機構(gòu)、縱向絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)和水平絲桿機構(gòu)以及底座28的移動，使充電插頭23自動插拔裝置回歸初始位置并處于待機狀態(tài)，為下一次充電作業(yè)做好準備，同時由充電狀態(tài)及時間檢測模塊414根據(jù)充電時間生成賬單，并啟動掃碼器等待用戶掃碼支付。

所述根據(jù)距離信號計算出車身姿態(tài)為根據(jù)距離信號計算出電目標識別與插拔裝置的旋轉(zhuǎn)角，包括：

接收兩組激光測距傳感器組21傳回的距離信號，在收到的四個距離信號中將每一個信號與其他三個做對比，通過設(shè)定誤差閾值對誤差數(shù)據(jù)進行排除，排除與其他數(shù)據(jù)差值大于設(shè)定誤差閾值的錯誤數(shù)據(jù)，若沒有誤差數(shù)據(jù)則選用每組距離數(shù)據(jù)的均值作為該組距離，根據(jù)兩組激光測距傳感器組21測量得到的距離差ΔD與激光測距傳感器組21中兩個傳感器間中心的距離L可以得到旋轉(zhuǎn)角β：

當沒有錯誤數(shù)據(jù)時：

其中，D₁和D₂表示一激光測距傳感器組21的兩激光測距傳感器傳回的距離信號；D₃和D₄表示另一激光測距傳感器組21的兩激光測距傳感器傳回的距離信號。

充電接口位置識別過程如圖2所示，方法包括：

(1)對接收到的圖像幀中的每個點進行灰度化換算，得到灰度化的車身側(cè)面圖像。

由于視頻圖像傳感器22傳回的圖像為彩色圖像，彩色圖像中的每個像素的顏色有R、G、B三個分量決定，而每個分量有255中值可取，這樣一個像素點可以有1600多萬(255*255*255)的顏色的變化范圍。而灰度圖像是R、G、B三個分量相同的一種特殊的彩色圖像，其一個像素點的變化范圍為255種，本系統(tǒng)中我們進行目標查找主要依靠梯度特征而非顏色特征，因此需要對圖像進行灰度化處理，減少無用信息，提高工作效率。

一般的圖像灰度化使用R、G、B三個分量的平均值，而在本實施例中，我們采用將RGB顏色空間的圖片映射至YUV顏色空間，取其表示亮度的Y分量作為灰度化依據(jù)，根據(jù)空間變化關(guān)系

Y＝0.3R+0.59G+0.11B

保留更多對識別有用的細節(jié)信息。

對接收到的圖像幀中的每個點進行如上式的灰度化換算，得到新的圖像幀即為灰度化的車身側(cè)面圖像。

(2)使用雙邊濾波法對灰度化的車身側(cè)面圖像進行濾波。

圖片灰度化及傳輸?shù)倪^程中，產(chǎn)生噪聲是必不可免的，噪聲干擾使得圖像退化，表現(xiàn)為圖像模糊，特征淹沒，這會對圖像分析定位充電接口目標產(chǎn)生不利影響，因此既要高效率的濾去噪聲減少干擾，又要最大程度的保留圖像的結(jié)構(gòu)信息保證定位的準確性。

常見的濾波算法包括高斯濾波、均值濾波，他們都是線性濾波算法，基本原理都是模板內(nèi)的加權(quán)平均，因此他們在平滑圖像的同時，也抹去了很多有用的邊界信息。而基于非線性濾波算法的雙邊濾波(Bilateral filter),因為其在濾波過程中，不但考慮鄰域范圍內(nèi)點的灰度值，同樣考慮這些點距離中心點的幾何距離，因此在濾除噪聲的同時，可以有效的保留邊緣信息。

雙邊濾波后的點的灰度值表達公式為：

h(x)＝k^-1(x)∫∫f(ξ)c(ξ-x)s(f(ξ)-f(x))dξ

其中k為歸一化系數(shù)，其表達式為：

k(x)＝∫∫c(ξ-x)s(f(ξ)-f(x))dξ

x為經(jīng)過步驟(1)灰度化后的車身側(cè)面圖片上需要進行濾波動作的目標點的空間坐標；

ξ為當前濾波模板內(nèi)參考點的空間坐標；

f為當前點的灰度值；

h為目標點經(jīng)濾波后的灰度值；

c表示中心點與其鄰域內(nèi)點的空間相似度；

s表示中心點與其鄰域內(nèi)點的灰度相似度。

在實現(xiàn)過程中，c和s函數(shù)均可用高斯函數(shù)實現(xiàn)，即其定義如下：

對傳回的經(jīng)過步驟(1)灰度化的車身側(cè)面圖像進行雙邊濾波，使用計算得到的新的灰度值h建立濾波后的車身側(cè)面圖像。去除掉可能對識別造成影響的噪點，同時又最大程度的保留了可供后續(xù)目標識別使用的邊緣信息，進一步提高了識別率和識別精度。

(3)對濾波后的車身側(cè)面圖進行直方圖均衡化。

在經(jīng)過了步驟(1)灰度化和步驟(2)濾波去噪后，車身側(cè)面圖像很可能仍然一些問題，如光照因素或車身顏色過亮或過暗，都會導(dǎo)致充電保護口處的輪廓不明顯，直接做輪廓提取會導(dǎo)致丟失或誤判，因此本實施例在尋找提取輪廓特征之前，增加了一步新的重要步驟：直方圖均衡化。

灰度直方圖是灰度級的函數(shù)，描述的是圖像中具有該灰度級的像素的個數(shù)。確定圖像像元的灰度值范圍，以適當?shù)幕叶乳g隔為單位將其劃分為若干等級，以橫軸表示圖像的各灰度級，以縱軸表示各個灰度出現(xiàn)的像素個數(shù)，做出的條形統(tǒng)計圖即為灰度直方圖。

一般來說，如果圖像的直方圖輪廓線越接近正態(tài)分布，則說明圖像的亮度接近隨機分布，適合用統(tǒng)計方法處理，這樣的圖像一般反差適中；如果直方圖峰值位置偏向灰度值大的一邊，圖像偏亮；如果峰值位置偏向灰度值小的一邊，圖像偏暗；峰值變化過陡、過窄，則說明圖像的灰度值過于集中，后3種情況均存在反差小、質(zhì)量差的問題。直方圖分析是圖像分析的基本方法，通過有目的地改變直方圖形態(tài)可改善圖像的質(zhì)量。

采集到的車身側(cè)面原始圖像由于其灰度分布集中在較窄的范圍內(nèi)，使充電接口周圍圖像的細節(jié)不夠清晰，對比度較低。為了使圖像的灰度范圍拉開或使灰度均勻分布，從而增大反差，使充電接口圖像細節(jié)清晰，以達到更好的識別，采用直方圖均衡化。

直方圖均衡化是通過對原圖像進行某種變換，重新分配圖像像素值，把原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某個灰度區(qū)間變成在全部灰度范圍內(nèi)均勻分布的形式，從而使原始圖像的直方圖改變成均勻分布的直方圖，達到增強圖像整體對比度的效果。

直方圖均衡化過程中，映射變換函數(shù)I為

其中，S_k為累計分布函數(shù)，p_j表示當前灰度級r的概率密度函數(shù)，n是圖像中像素的總和，n_j是灰度級為r_j的像素個數(shù)，L是圖像中可能的灰度級總數(shù)。

g_k＝INT[(L-1)S_k(r_k)+0.5]/(L-1)

其中，g_k為最后的輸出灰度級，INT[]為取整算符。

將輸入圖片即經(jīng)過步驟(3)濾波過程的車身側(cè)面灰度圖像中灰度級為r_k的各像素根據(jù)上述積累分布函數(shù)映射為最后的輸出灰度級g_k，修改原圖像灰度級得到直方圖均衡化后的車身側(cè)面灰度圖像。

通過直方圖均衡化過程，進一步突出車身和充電接口保護蓋的輪廓，同時也很大程度上降低了光照效果對識別帶來的影響，相較以往的識別算法提高了識別率和識別準確度。

(4)采用Canny邊緣檢測算法對均衡后的車身側(cè)面圖像進行特征提取，提取出車身側(cè)面輪廓圖。

經(jīng)過步驟(3)直方圖均衡化后，即可對得到直方圖均衡的車身側(cè)面圖像進行特征提取，利用特征值的對應(yīng)在視頻圖像傳感器22傳回的圖像中找到充電接口目標。在充電接口的搜尋定位中，我們選擇提取邊界輪廓作為目標特征，根據(jù)先驗知識可知，充電接口的保護蓋一般為矩形或圓形，具有較高的幾何特征性，依靠其輪廓特征即可快速準確的找到其位置。常用的邊緣檢測模板包括sobel算子、Robert算子、laplacian算子、canny算子等，由于canny算子具有：一能有效地抑制噪聲；二可以盡量精確確定邊緣的位置；三能夠盡可能多的表示出圖像中的實際邊緣，因此本實施例中的邊緣檢測使用canny算子進行。

Canny邊緣檢測算法包括以下步驟：

①:用高斯濾波器平滑圖像；

通過高斯函數(shù)產(chǎn)生模板O，使用該模板對步驟(4)得到的直方圖均衡的車身側(cè)面圖像中的每個像素進行加權(quán)平均(卷積過程)；

P(x,y)＝f(x,y)*O(x,y)

其中f(x,y)為步驟(4)得到圖像中(x,y)位置的點的灰度值，P(x,y)為平滑后圖像的(x,y)位置的點的灰度值，σ為標準方差。

得到平滑后的車身側(cè)面圖像，對其進行：

②:用一階偏導(dǎo)的有限差分來計算梯度的幅值和方向；

P_x(x,y)＝[f(x+1,y)-f(x,y)+f(x+1,y+1)-f(x,y+1)]/2

P_x(x,y)＝[f(x,y+1)-f(x,y)+f(x+1,y+1)-f(x+1,y)]/2

由偏導(dǎo)陣列P_x和P_y得到幅值M(x,y)和方位角φ(x,y)

③:對梯度幅值進行非極大值抑制；

僅僅得到全局的梯度并不足以確定邊緣，因此為確定邊緣，必須保留局部梯度最大的點，而抑制非極大值。(non-maxima suppression,NMS)

N(x,y)＝NMS(M(x,y),ζ(x,y))

其中Sector為畫并填充橢圓扇區(qū)算法，NMS為非極大值抑制算法。

得到非極大值抑制的車身側(cè)面圖像N。

④:用雙閾值算法檢測和連接邊緣。

對非極大值抑制圖像N作用兩個閾值th1和th2，兩者關(guān)系th1＝0.4th2。我們把梯度值小于th1的像素的灰度值設(shè)為0，得到圖像1。然后把梯度值小于th2的像素的灰度值設(shè)為0，得到圖像2。由于圖像2的閾值較高，去除大部分噪音，但同時也損失了有用的邊緣信息。而圖像1的閾值較低，保留了較多的信息，我們可以以圖像2為基礎(chǔ)，以圖像1為補充來連結(jié)圖像的邊緣，得到最終的車身側(cè)面圖像的輪廓圖。

(5)利用Hough變換與最小二乘法結(jié)合對車身側(cè)面輪廓圖進行矩形或圓檢測，將獲得的矩形或圓輪廓判斷為充電接口位置。

在完成邊緣檢測之后，使用步驟(4)邊緣檢測得到的車身側(cè)面輪廓圖即可進行矩形/圓的檢測，符合先驗知識的矩形/圓輪廓即可視為充電接口的位置。本實施例中，我們是用基于Hough變換的矩形/圓檢測，其優(yōu)勢在于：由于hough變換根據(jù)局部度量來計算全面描述參數(shù)，因而對于區(qū)域邊界被噪聲干擾或被其他目標遮蓋而引起邊界發(fā)生某些間斷的情況，它具有很好的容錯性和魯棒性。

Hough變換的基本原理在于利用點與線的對偶性，將原始圖像空間的給定的曲線通過曲線表達形式變?yōu)閰?shù)空間的一個點，反過來，圖像空間共線的點對應(yīng)在參數(shù)空間里相交的線。這樣就把原始圖像中給定曲線的檢測問題轉(zhuǎn)化為尋找參數(shù)空間中的峰值問題。也即把檢測整體特性轉(zhuǎn)化為檢測局部特性。

例如在圖像空間X—Y中，所有共線的點(x，y)都可以用直線方程描述為：

y＝mx+c

其中m為直線的斜率，c為截距，同時上式又可以改寫為：

c＝-mx+y

上式可以看做是參數(shù)空間C—M中的一條直線方程，其中直線的斜率為x，截距為y。

比較上述兩個式子，可以看出，圖像空間中的一點(x，y)對應(yīng)參數(shù)空間中的一條直線，而圖像空間中的一條直線又是由參數(shù)空間中的一個點(c，m)來決定的。Hough變換的基本思想就是將上述兩式看作時圖像空間中的點和參數(shù)空間中的點的共同的約束條件，并由此定義一個從圖像空間到參數(shù)空間的一對映射。

在實際應(yīng)用中，y＝mx+c形式的直線方程沒有辦法表示x＝c形式的直線(這時候，直線的斜率為無窮大)。所以實際應(yīng)用中，是采用參數(shù)方程

ρ＝x*cosθ+y*sinθ

這樣，圖像平面上的一個點就對應(yīng)到參數(shù)ρ-θ平面上的一條曲線上。

因為同一條直線上的點對應(yīng)的(ρ,θ)是相同的，如果多個點在一條直線上，那么必有這多個點在θ＝θ_i時，這多個點的ρ近似相等于ρ_i。也就是說這多個點都在直線(ρ_i，θ_i)上，當落在同一條直線上的點大于閾值T_C,則認為該直線存在，由此進行直線檢測。

與使用(ρ，θ)來表示一條直線相似，使用(a,b,r)來確定一個圓心為(a,b)半徑為r的圓。

某個圓過點(x₁,y₁)，則有：

(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝r₁²

那么過點(x₁,y₁)的所有圓可以表示為(a₁(i),b₁(i),r₁(i))，過點(x₂,y₂)的所有圓可以表示為(a₂(i),b₂(i),r₂(i))，過點(x₃,y₃)的所有圓可以表示為(a₃(i),b₃(i),r₃(i))，如果這三個點在同一個圓上，那么存在一個值(a₀,b₀,r₀)，使得a₀＝a₁(k)＝a₂(k)＝a₃(k)且b₀＝b₁(k)＝b₂(k)＝b₃(k)且r₀＝r₁(k)＝r₂(k)＝r₃(k)，即這三個點同時在圓(a₀,b₀,r₀)上，由此進行圓檢測。

傳統(tǒng)Hough變換是利用圖像空間和Hough參數(shù)空間的對偶性原理,將圖像中的每個特征點映射到參數(shù)空間的累加陣列的多個單元,再統(tǒng)計各個單元的計數(shù)以檢測出極值,確定是否存在直線并獲得直線參數(shù)。因此傳統(tǒng)的Hough變換算法：1、具有很大的盲目性,需要較大的存儲空間,2、計算量較大,導(dǎo)致算法效率低下,3、邊緣區(qū)間不容易控制,實際應(yīng)用困難，不適合物體檢測實時性要求較高的應(yīng)用場合，而本實施例用于充電接口定位，對實時性要求很高。

因此本實施例提出一種新的基于Hough變換的矩形檢測方法：利用改進Hough變換與最小二乘法結(jié)合來擬合直線,最小二乘法計算原理簡單,準確率高,既解決單獨用Hough變換時計算效率低的問題,同時解決了最小二乘法在擬合直線時容易受噪聲點干擾的缺點，之后通過尋找直線集中與先驗知識形狀方向和長度相符的直線進行矩形判斷及偽矩形排除。

①：結(jié)合Hough變換與最小二乘法進行直線及區(qū)段擬合：對步驟(5)得到的車身側(cè)面輪廓圖點集U＝(x_i,y_i)^T,(i＝1,2,…,n,n為數(shù)據(jù)點集中的數(shù)據(jù)點數(shù)),U中的數(shù)據(jù)點分布在R條直線附近,根據(jù)實際應(yīng)用條件給定誤差閾值為d_k。

1)根據(jù)：

ρ_k＝x_i*cosθ_k+y_i*sinθ_k(i＝1,2,...,n；k＝1,2,...,R)

對點集U做Hough變換,得出擬合直線的參數(shù)(θ_k,ρ_k)。

2)找出擬合直線(θ_k,ρ_k)附近的點集U_k^＊,將法線式直線方程改寫成斜截式：

y_i＝a_kx_i+b_k

其中

計算U中的點到由上所確定的直線的距離:

如果d_ki<d_k，則：

得到的點集U_k^＊為符合誤差閾值要求的第k條Hough變換直線附近的點集。

3)擬合以點集U_k^＊為擬合數(shù)據(jù)點,分別擬合各直線,可得直線方程的參數(shù)(a_k^＊,b_k^＊),以((x_kj)_min,y_kj)∈U_k^＊和((x_kj)_max,y_kj)∈U_k^＊為端點,可確定各直線段的區(qū)間,即:

y_kj＝a_k^*x_kj+b_k^*(x_kj)_min≤x_kj≤(x_kj)_max

②：矩形檢測：考慮H₁＝(ρ₁，θ₁),H₂＝(ρ₂，θ₂)，…，H_k＝(ρ_k，θ_k)是步驟①得到的擬合直線點集U_k^*＝(x_k,y_k)轉(zhuǎn)化到法線式空間U_k^＊(ρ，θ)上提取的m個峰值點,下一步就是在這m個點中尋找滿足條件的矩形頂點。

對于滿足下列條件的峰值點H_i和H_j

Δθ＝|θ_i-θ_j|<T_θ

其中T_θ是角度閾值，T_L是歸一化閾值。

用V_k(α_k,β_k)表示每對滿足上述不等式組的峰值點H_i和H_j，其中

最后步驟是比較所有V_k，得到滿足如下條件的V_i和V_j：

Δα＝||α_i-α_j|-90°|<T_α

其中T_α是角度閾值。經(jīng)過上式判定的兩對峰值點及其所代表的直線段被判定為矩形。在矩形檢測結(jié)果中去除掉與先驗知識不符的結(jié)果，選取面積及長寬比符合先驗知識的矩形，即為我們的充電接口目標。根據(jù)滿足條件的V_i(α_i,β_i)和V_j(α_j,β_j)得到其對應(yīng)的峰值點H_ii(ρ_ii，θ_ii)，H_ij(ρ_ij，θ_ij)，H_ji(ρ_ji，θ_ji)，H_jj(ρ_jj，θ_jj)，計算出其對應(yīng)的斜截式交點，即為充電接口目標位置的四個頂點Z₁，Z₂，Z₃，Z₄。

本實施例提出的新的基于Hough變換的矩形檢測重點解決了：1、傳統(tǒng)Hough變換需要較大儲存空間；2、傳統(tǒng)Hough變換計算量大，算法效率低下；3、傳統(tǒng)Hough變換邊緣區(qū)間不易控制的問題。傳統(tǒng)Hough變換對一幀圖像進行目標定位檢測的處理時間為150ms，而使用本實施例提出的新的檢測方法對一幀圖像的檢測處理時間僅為90ms，且由于計算前過濾了干擾點，處理占用的內(nèi)存空間也在一定程度上得到了減少。

本實施例中，還使用了基于PID控制的伺服電機驅(qū)動對接方法。

PID控制算法是基于反饋的閉環(huán)比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法，其控制表達式為：

其中，u(t)為控制器輸出量，本實施例中為伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度；e(t)為偏差信號，本實施例中為目標中心位置與視頻圖像傳感器22中心位置的差值；K_p為比例系數(shù)，K_i為積分比例系數(shù)，K_d為微分比例系數(shù)。

其中比例P反應(yīng)系統(tǒng)的基本(當前)偏差，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分I反應(yīng)系統(tǒng)的累計偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無誤差；微分D反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

根據(jù)充電接口位置識別的方法得到的充電接口目標的四個頂點位置Z₁(x₁,y₁)，Z₂(x₂,y₂)，Z₃(x₃,y₃)，Z₄(x₄,y₄)，計算充電接口目標的中心位置Z₀(x_t,y_t)

充電目標對角線長度為設(shè)圖像當前中點的坐標為(x₀,y₀)，對接完成時的對角線長度為l₀，則將充電目標中心與當前圖像中心的橫坐標差值Δx＝x_t-x₀作為驅(qū)動平臺左右移動的伺服電機輸入偏差信號，將充電目標中心與當前圖像中心的縱坐標差值Δy＝y(tǒng)_t-y₀作為驅(qū)動平臺上下移動的伺服電機輸入偏差信號，將充電目標對角線長度與對接完成時的對角線長度差Δl＝l-l₀作為驅(qū)動平臺前后移動的伺服電機輸入偏差信號，通過計算各維度偏差信號的比例項K_pΔx、積分項K_i∑Δx和微分項K_d(Δx-Δx_d)，得到輸出控制信號：

其中Δx_d為上一控制周期求得的差值Δx，s為控制周期數(shù)。

本實施例通過PID控制算法，將目標與充電接口的位置偏差值做為輸入，輸出驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動的信號量對自動充電機械裝置3中與三維絲桿連接的伺服電機進行驅(qū)動，帶動充電平臺移動至充電目標處進行對接。由于PID算法控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在目標中心與當前中心差值大時，電機快速轉(zhuǎn)動驅(qū)動平臺迅速移動、在目標中心與當前中心差值小時，電機慢速轉(zhuǎn)動驅(qū)動平臺準確移動，完成迅速而精確的對接。

上述實施例僅用來進一步說明本發(fā)明的電動汽車自動充電系統(tǒng)及其控制方法，但本發(fā)明并不局限于實施例，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。